三相電力電子負(fù)載特性與設(shè)計(jì)研究.pdf

1、隨著大量電源設(shè)備在人們生產(chǎn)、生活中各個(gè)領(lǐng)域里的大量應(yīng)用，對(duì)電源性能的測(cè)試設(shè)備的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的電源測(cè)試設(shè)備是采用無(wú)源器件連接而成，如電阻絲、電感、電容等，存在著能耗高、體積大、特性模擬不靈活等缺點(diǎn)。
　　 本文主要針對(duì)三相被試電源設(shè)備，如UPS、逆變器等，應(yīng)用電力電子技術(shù)，采用雙PWM 變換器構(gòu)成背靠背系統(tǒng)的主電路拓?fù)洌O(shè)計(jì)了一套三相電力電子負(fù)載裝置(PEL)。該裝置由模擬負(fù)載變換器和并網(wǎng)變換器組成，其中模擬負(fù)載變換器的主

2、要功能是靈活、準(zhǔn)確的模擬各種實(shí)際負(fù)載特性，如三相平衡阻性負(fù)載、阻感性負(fù)載、阻容性負(fù)載、三相不平衡負(fù)載、非線性負(fù)載、動(dòng)態(tài)負(fù)載等；而并網(wǎng)變換器的主要功能一方面是將模擬負(fù)載變換器吸收的有功高效、快速地回饋電網(wǎng)以維持直流母線電壓的恒定，另一方面還需要補(bǔ)償被試電源設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，即保證整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)是綠色的、節(jié)能的。
　　 由于系統(tǒng)的核心是三相電壓源型PWM 整流器（VSR），因此本文推導(dǎo)了VSR的基本數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，對(duì)其在αβ

3、坐標(biāo)系下的工作原理、控制方法等進(jìn)行了詳細(xì)地分析，尤其對(duì)其直流母線電壓的諧波特性及其對(duì)系統(tǒng)的影響進(jìn)行了研究。
　　 模擬負(fù)載變換器電流環(huán)的穩(wěn)態(tài)精度以及動(dòng)態(tài)性能是決定PEL 性能的主要性能指標(biāo)。在主電路參數(shù)設(shè)計(jì)好之后，其電流控制方法的選擇與設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。本文比較了各種控制方法，如PID 控制、滯環(huán)控制、單周控制等，最后從綜合性能考慮，選擇了能夠?qū)φ医涣髦噶钸M(jìn)行無(wú)靜差跟蹤以及對(duì)正弦干擾具有較好抑制能力的諧振控制器作為模擬負(fù)載變

4、換器電流環(huán)的基本控制器。應(yīng)用根軌跡對(duì)系統(tǒng)的零、極點(diǎn)進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，將傳統(tǒng)的諧振控制器應(yīng)用于PEL，系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。因此，本文采用零極點(diǎn)對(duì)消法以及超前校正控制器對(duì)傳統(tǒng)的諧振控制器進(jìn)行改進(jìn)，保證了系統(tǒng)在連續(xù)域里的穩(wěn)定性及較好的動(dòng)態(tài)性能。實(shí)際的控制系統(tǒng)采用的是基于DSP的數(shù)字控制系統(tǒng)，常常采用滯后一拍控制來(lái)避免采樣及計(jì)算延時(shí)帶來(lái)的占空比丟失問題。由于滯后一拍對(duì)中頻段相角特性的影響降低了系統(tǒng)的相角裕度，原本連續(xù)域中穩(wěn)定的系統(tǒng)在離散域中變得不穩(wěn)定

5、。本文應(yīng)用狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)電流進(jìn)行提前一拍預(yù)測(cè)，并且采用重復(fù)補(bǔ)償器對(duì)周期性的觀測(cè)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，由于控制對(duì)象階數(shù)較低，狀態(tài)觀測(cè)器設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，實(shí)際應(yīng)用也較為容易。
　　 傳統(tǒng)的并網(wǎng)變換器只回饋有功能量，而實(shí)際上被試電源可能對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生大量諧波污染，因此本文研究了對(duì)被試電源的諧波污染進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?。?duì)被試電源輸入電流諧波的快速、準(zhǔn)確檢測(cè)是諧波補(bǔ)償?shù)那疤?，本文采用變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波算法作為諧波檢測(cè)算法，對(duì)其基本原理及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了分析與研究。

6、傳統(tǒng)的變步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波算法僅僅將基波有功及無(wú)功電流幅值作為權(quán)值，導(dǎo)致穩(wěn)態(tài)誤差中含有占比重較大的低次諧波成分，所以其步長(zhǎng)收斂值以及權(quán)值穩(wěn)態(tài)值中均含有較大的諧波含量，嚴(yán)重影響了檢測(cè)的精度。本文將25次以下各低次諧波幅值均作為權(quán)值進(jìn)行自適應(yīng)濾波，穩(wěn)態(tài)誤差中的諧波含量大大減少，保證了諧波檢測(cè)的準(zhǔn)確性。電流環(huán)控制器的性能是并網(wǎng)變換器能否實(shí)現(xiàn)其功能的保證。本文采用一種PI 控制器+重復(fù)控制器串聯(lián)的復(fù)合控制結(jié)構(gòu)作為電流環(huán)控制器，其中PI 控制器的主要

7、功能是抵消控制對(duì)象的低頻極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，增大電流環(huán)的帶寬；PI 控制器對(duì)交流正弦信號(hào)無(wú)法做到無(wú)靜差跟蹤，重復(fù)控制器的主要功能是消除PI 控制器的穩(wěn)態(tài)誤差，同時(shí)抑制周期性的外部擾動(dòng)，保證系統(tǒng)的魯棒性。由于PI 控制器已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了較好的校正，重復(fù)控制器設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，其中的校正環(huán)節(jié)僅僅用一個(gè)截止頻率較高的低通濾波器+相位補(bǔ)償即可。
　　 本文中的理論分析及控制方法均應(yīng)用MATLAB 軟件進(jìn)行了相關(guān)仿真驗(yàn)證。同時(shí)，搭建了一臺(tái)功